基于孔隙网络模型的铀矿全尾砂充填膏体的氡运移规律研究

In order to solve the pollution problem of radon exhalation from the paste backfill of uranium tailings (PBUT), this project will study the radon transport rule of the PBUT in the micro-scale pore structure. Based on the modeling information of the micro-pore structure, three-dimensional connected pore network models will be reconstructed by using the simulated annealing method and the maximum pore connectivity method of the percolation theory. In theoretical aspect, the Monte Carlo method will be used to establish a calculation model of radon diffusion coefficient in the micro-pore structure, and to research the radon diffusion coefficient in the micro-pore structure of the PBUT under different temperature and pressure. Based on the Navier-Stokes equation, gas flow in interconnected pore network model will be studied under different pressure, and then the permeability of micro-pore structure will be calculated according to the Darcy's law. The radon diffusion coefficient and permeability of the micro-scale pore structure will be roughly scaled to the macro-scale by the upscaling method, and then we will establish a radon transport model of the PBUT based on the radon diffusion-percolation transport theory in porous media. In experimental aspect, the local static method will be used to research the radon exhalation rate from the PBUT surface, and to validate the above model. Then, the established model will be used to research the radon transport rule in the PBUT. This project uses a novel idea to capture trace amounts of transport radon in the micro-scale pore structure and to provide the key theoretical basis for the development of the PBUT technology.

针对铀矿全尾砂充填膏体（简称膏体）的氡析出污染问题，本项目拟从微观孔隙尺度开展膏体的氡运移规律研究。在膏体的微观孔隙结构建模信息的基础上，通过模拟退火法和逾渗理论的最大孔隙连通团方法三维重构连通孔隙网络模型。理论上，使用蒙特卡罗方法建立微观孔隙中氡的扩散系数计算模型，研究不同温度、压强下膏体微观尺度的氡扩散系数；使用气体流动的Navier-Stokes方程研究连通孔隙网络模型中气体流动规律，根据达西定律计算膏体微观尺度的渗透率；通过升尺度方法把微观尺度的氡扩散系数和渗透率粗化到宏观尺度，基于多孔介质中氡的扩散-渗流运移理论建立宏观尺度的氡运移模型。实验上，采用局部静态法研究膏体的表面氡析出率，对模型进行验证。然后，使用建立的模型研究不同温度、压强下膏体中氡的运移规律。本项目采用一条新颖的研究思路从微观孔隙尺度捕捉多孔介质中微量的氡运移规律，为铀尾砂膏体充填技术的发展提供关键的理论依据。

铀尾砂膏体（简称膏体）充填技术在铀矿冶领域有巨大的应用前景。为解决膏体的氡析出污染问题，本项目从孔隙、裂隙尺度开展膏体的氡运移规律研究。开展了膏体的最优配比试验，研制满足力学强度与流动性要求的膏体材料，对其开展多层超薄切片及电镜扫描获得膏体的孔隙结构信息，构建了膏体的孔隙网络模型。基于蒙特卡罗方法建立了多孔介质氡扩散系数计算模型，采用压汞法获得孔径分布和孔隙率，模型计算的膏体氡扩散系数具有较高的计算精度；该方法克服了传统氡扩散系数测试方法试验周期长、试验过程繁琐等劣势，具有代替传统氡扩散系数测试方法的潜力。基于离散裂隙网络与分形理论首次建立了裂隙介质氡运移模型，开发了分析软件FDFNRn，采用典型裂隙露头和自研的裂隙氡析出试验装置对模型进行了验证，表明模型在预测裂隙氡运移的有效性和准确性，使用该模型可对膏体在复杂采空区环境下的氡运移规律开展研究；对该模型的若干参数及关键问题进行了分析，如最小裂隙与最大裂隙长度比值、分形维数、裂隙方向参数、氡析出率与对流速度关系、裂隙尺度效应与表征体元大小，为模型的实际应用提供了理论指引。建立了热湿耦合条件下多孔介质氡运移模型，开展不同温、湿度情况下膏体氡运移特性研究，为膏体充填地下采空区后在地下空间复杂热、湿情况下的氡析出规律研究提供了理论依据。